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双芯光子晶体光纤温度传感器的研究

作　者: 汤劼
导　师: 陈鹤鸣
学　校: 南京邮电大学
专　业: 光学工程
关键词: 双芯光子晶体光纤温度传感液晶光束传播法耦合模
分类号: TP212.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

温度是一种最基本的环境参数。农业生产中离不开温度的测量,各种农作物的生长都跟温度有直接的关系,掌握了温度的变化就可以更好的控制农作物的生长。工业生产也经常需要实时测量温度,但依靠人工检测既浪费时间、物力、人力,又有一定的危险性,且测量的数据也不准确,因此研究温度传感的方法和装置具有重要的意义。光纤是电绝缘耐腐蚀的传输介质,抗强电磁干扰,安全可靠,在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。光子晶体光纤具有无截止单模特性,可控的非线性效应,可控的色散特性和低损耗特性,结构灵活多样,被广泛应用于各个领域,因此,光子晶体光纤传感器引起了国内外学者的广泛研究。本文设计了一种混合导光机制的双芯光子晶体光纤温度传感器,在双芯光子晶体光纤芯层中选择空气孔中注入液晶材料实现温度传感。在双芯光子晶体光纤中选择合适的空气孔,填充具有热光效应的液晶,温度发生改变时,双芯光子晶体光纤的耦合特性发生改变,从而构成了适合于室温范围的双芯光子晶体光纤温度传感器。本文首先从双芯光子晶体光纤的基本结构出发,分析了双芯光子晶体光纤的双芯耦合特性,得出了双芯光子晶体耦合长度与入射光波长和光子晶体晶格常数之间的关系,为双芯光子晶体光纤结构的设计提供了依据。然后运用Rsoft软件计算了填充液晶后,对称结构与非对称结构下,双芯光子晶体光纤的温度传感性能。利用光束传播法(Beam propagation method,BPM)对不同种类的液晶填充进空气孔后的双芯透射功率进行了计算,得出了温度与双芯出射功率的关系,分析了其传感特性。本文设计的双芯光子晶体光纤温度传感器可测量的温度范围在273K-373K之间,精度可达0.5K,当光电检测精度提高时,双芯光子晶体光纤温度传感器精度则有进一步的提高。本文设计的双芯光子晶体光纤温度传感器,结构简单,利于实现,传感范围和传感精度都有所提高。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-20
  1.1 温度传感器简介  9-13
    1.1.1 温度传感器的意义及研究进展  9-10
    1.1.2 光子晶体光纤温度传感器简介  10-12
    1.1.3 本文的研究重点及双芯光子晶体光纤传感研究进展  12-13
  1.2 光子晶体简介  13-14
  1.3 光子晶体光纤简介  14-17
    1.3.1 光子晶体光纤的分类  15-16
    1.3.2 光子晶体光纤的特性  16-17
  1.4 光子晶体光纤数值计算方法简介  17-18
    1.4.1 平面波展开法  17
    1.4.2 时域有限差分法  17-18
    1.4.3 光束传播法  18
  1.5 论文内容安排  18-20
第二章光束传播法理论  20-33
  2.1 光束传播法理论模型  20-30
    2.1.1 波动方程  20-24
    2.1.2 方程离散数值处理  24-30
  2.2 完美匹配层边界条件  30-32
    2.2.1 边界条件的分类  30
    2.2.2 完美匹配层边界条件(PML)  30-32
  2.3 小结  32-33
第三章双芯光子晶体光纤耦合机制与特性  33-45
  3.1 光波导的横向耦合  33-39
    3.1.1 耦合模方程  33-35
    3.1.2 耦合模方程的形式解  35-37
    3.1.3 耦合系数的计算  37-39
  3.2 仿真软件介绍  39-40
  3.3 对称双芯光子晶体光纤结构与特性仿真分析  40-44
    3.3.1 对称结构双芯光子晶体光纤结构  40-41
    3.3.2 双芯光子晶体光纤耦合特性仿真分析  41-42
    3.3.3 不同条件下双芯光子晶体光纤耦合长度  42-44
  3.4 小结  44-45
第四章双芯光子晶体光纤温度传感特性分析  45-59
  4.1 液晶的温度特性  45-46
  4.2 液晶的取向与偏振  46-47
  4.3 向列型液晶的光电特性  47-49
  4.4 不同液晶材料混合导光机制双芯光子晶体光纤传感特性比较  49-58
    4.4.1 液晶填充在中间空气孔中的情况  49-52
    4.4.2 液晶填充在纤芯周围空气孔中的情况  52-56
    4.4.3 不同液晶填充时的传感特性  56-58
  4.5 小结  58-59
第五章双芯光子晶体光纤温度传感器  59-64
  5.1 双芯光子晶体光纤温度传感器的结构  59-61
    5.1.1 双芯光子晶体光纤温度传感器结构  59
    5.1.2 光源的特性分析  59-61
    5.1.3 光电检测装置  61
  5.2 双芯光子晶体光纤温度传感器特性分析  61-63
  5.3 小结  63-64
结束语  64-65
致谢  65-66
参考文献  66-70
研究生期间发表的论文  70

双芯光子晶体光纤温度传感器的研究

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